Publication: Screening analysis and unconstrained optimization of a small-scale vertical-axis wind turbine
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Date
Authors
Advisor
Salviano, Leandro Oliveira 
Coadvisor
Graduate program
Undergraduate course
Engenharia Mecânica - feis
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Type
Undergraduate thesis
Access right
Acesso aberto
Abstract
Abstract (portuguese)
The demand for alternative and renewable energy sources has been growing substantially in recent years due, among other things, to the economic and environmental aspects of conventional sources, such as oil and its derivatives. In this context, wind energy has emerged as an attractive renewable source, envisioning the possibility of developing new technologies and more efficient equipment to meet energy needs. In this work, computational modeling was performed through Computational Fluid Dynamics (CFD) of a small Darrieus vertical axis wind turbine (VAWT) at tip-speed ratio (λ) = 2.63 coupled to an optimization algorithm and a response surface (RS) methodology to find a optimal VAWT considering the impact of four geometric parameters: number of blades (N), chord length of the airfoil (c), diameter (D), and pitch angle (β). For the numerical model, a two-dimensional, incompressible, turbulent and unsteady-state flow is considered. Moreover, after a robust numerical validation procedure, a sensitivity analysis (SA) was performed using the Morris method to identify the influence of each geometrical variable on the turbine performance, revealing that the contribution index of the pitch angle (β) is the highest among all the parameters (58%). From the same design of experiment (DoE) used by SA, a RS was trained to perform an optimization process using the NSGA-II method, increasing the conversion efficiency by 40%. A detailed discussion is presented related to flow dynamics considering the impact of each variable on the power coefficient. The strategy adopted here, in which a qualitative sensitivity analysis is associated with a response surface and an unconstrained optimization, was shown to be robust and can be applied to high-dimensional and computational-expensive CFD models to reduce computational costs with adequate results regarding fluid flow phenomena.
Abstract (english)
A demanda por fontes alternativas e renováveis de energia vem crescendo substancialmente nos últimos anos devido, entre outros aspectos, aos aspectos econômicos e ambientais das fontes convencionais, como o petróleo e seus derivados. Neste contexto, a energia eólica surge como uma fonte renovável atrativa, prevendo a possibilidade de desenvolver novas tecnologias e equipamentos mais eficientes para atender às necessidades energéticas. Neste trabalho, a modelagem computacional foi realizada por meio de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) de uma pequena turbina eólica de eixo vertical Darrieus (VAWT) na razão de velocidade de ponta (λ) = 2,63 acoplada a um algoritmo de otimização e uma metodologia de superfície de resposta (RS) para encontre um VAWT ideal considerando o impacto de quatro parâmetros geométricos: número de lâminas (N), comprimento da corda do aerofólio (c), diâmetro (D) e ângulo de inclinação (β). Para o modelo numérico, é considerado um escoamento bidimensional, incompressível, turbulento e instável. Além disso, após um robusto procedimento de validação numérica, foi realizada uma análise de sensibilidade (SA) utilizando o método de Morris para identificar a influência de cada variável geométrica no desempenho da turbina, revelando que o índice de contribuição do ângulo de inclinação (β) é o maior entre todos os parâmetros (58%). A partir do mesmo desenho de experimento (DoE) utilizado pela SA, um RS foi treinado para realizar um processo de otimização utilizando o método NSGA-II, aumentando a eficiência de conversão em 40%. É apresentada uma discussão detalhada relacionada à dinâmica do fluxo considerando o impacto de cada variável no coeficiente de potência. A estratégia adotada aqui, na qual uma análise de sensibilidade qualitativa está associada a uma superfície de resposta e uma otimização irrestrita, mostrou-se robusta e pode ser aplicada a modelos CFD de alta dimensão e computacionalmente caros para reduzir custos computacionais com resultados adequados em relação a fluidos fenômenos de fluxo.
Description
Keywords
Small-Scale Wind Turbine, Numerical Modeling, Optimization, Sensitivity Analysis
Language
English
